真空鑄錠

其工藝示意見圖。真空鑄錠是一種滴流真空處理法，中間罐內(nèi)以流束狀下降的鋼液進(jìn)入真空室內(nèi)，由于壓力急劇下降，使流束膨脹，并展開成很大的角度以滴流狀降落，使脫氣表面積增大，有利于氣體逸出和促進(jìn)表面反應(yīng)。脫氣程度取決于注速、落下高度和擴(kuò)散角的大小。也取決于鋼液中氣體含量，注口形狀，真空度以及鋼液的流動性等因素。

簡史 真空鑄錠的滴流脫氣是鋼液真空脫氣法的先驅(qū)。早在20世紀(jì)初，首次出現(xiàn)了因氫脆而在高碳鋼的機(jī)器部件、合金鋼制造的槍銃和裝甲鋼板內(nèi)發(fā)現(xiàn)熱裂縫及發(fā)紋，30年代對鋼中氫和白點(diǎn)做了大量研究工作，大直徑鍛件擴(kuò)氫慢、脫氣難，由于防止白點(diǎn)的熱處理費(fèi)用非常昂貴，使鍛件制造者陷入困境。由于電站的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和低壓汽機(jī)轉(zhuǎn)子曾發(fā)生過爆炸斷裂事故，而轉(zhuǎn)子都是NiMoV鋼，是因白點(diǎn)原因發(fā)生的事故。這些意外事故再次強(qiáng)調(diào)急需解決對鋼中氫的控制。1950年，聯(lián)邦德國的Bochumer Verein公司開始了鋼液脫氣試驗，1952年在該公司建成了世界上第一臺35t、150t真空鑄錠室，并開始了大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。1955年蘇聯(lián)開始試驗大鋼錠的真空澆注，1956年蘇聯(lián)烏拉爾機(jī)器制造廠建成了30t、120t真空室澆鑄鋼錠。1956年美國開始進(jìn)行真空鑄錠，并于1958年建成了當(dāng)時世界上最大的250t真空室。1957年日本建成10t真空室。此后，英國、意大利、奧地利、法國、比利時、新西蘭、瑞典、捷克斯洛伐克、波蘭、民主德國和西班牙等先后裝備了真空鑄錠裝置。真空鑄錠在50~60年代發(fā)展很快，它以脫氫為主要目的，適用于生產(chǎn)大型鍛造鋼錠。至今已有日本、美國、法國、俄羅斯等國，相繼建成了200~600t級的真空鑄錠設(shè)備。

中國于1956年在沈陽重型機(jī)器廠建成40t真空鑄錠工業(yè)試驗裝置，并于60年代初開始籌建使用蒸汽噴射泵的真空鑄錠裝置，由第一機(jī)械工業(yè)部第一設(shè)計院、西安重型機(jī)械研究所，第一重型機(jī)器廠進(jìn)行設(shè)計制造并安裝于第一重型機(jī)器廠，其公稱容量為60t，實際最大澆鑄過120t鋼錠。1964年調(diào)試成功澆成第一支鋼錠，此后該廠用此裝置生產(chǎn)了一大批10萬kw以上汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等重要鍛件用鋼錠。此后20年間，真空鑄錠工藝和其他真空冶金工藝在中國得到了較大的發(fā)展。1975年第二重型機(jī)器廠建成200t真空鑄錠裝置，1979年第一重機(jī)廠建成250t真空鑄錠裝置投產(chǎn)，把我國的真空鑄錠工藝提高到一個新的高度。第二重機(jī)廠1989年建成國內(nèi)最大的400t真空鑄錠裝置。在此期間，沈陽、上海、太原、洛陽等地先后建成了一批100t左右的真空鑄錠裝置。至此，中國的真空鑄錠技術(shù)水平已躋身于世界先進(jìn)行列。

工藝設(shè)備 真空鑄錠工藝只適于一室一錠，多用來澆鑄大型鍛造用鋼錠，其設(shè)備除常規(guī)的鋼錠模、保溫帽和底盤外，主要是真空室和真空泵。

真空室由鋼板焊成的一個密封的筒形金屬室，上部有蓋蓋住，底部和側(cè)壁砌有耐火磚，側(cè)壁可全部砌磚，也可砌l/2高。在真空室蓋上有一澆口，澆注前用鋁盆緊緊蓋住，在蓋子上緊密地安放中間包，中間包水口必須與蓋上澆口的中心線重合。真空室、真空蓋、中間包之間用耐熱膠圈密封。由于鋼水進(jìn)入真空室空間后就擴(kuò)散成細(xì)流，鋼流不易對準(zhǔn)鋼錠模，為此在真空蓋下方裝有導(dǎo)流管。導(dǎo)流管由鋼板卷成筒形，內(nèi)砌耐火磚，其內(nèi)徑各廠不盡相同，為200~460mm不等。真空室大小以能放入需澆鑄的最大鋼錠全部冶金附具(包括鋼錠模、底盤、保溫帽)并留有適當(dāng)?shù)目晒┑跹b的空間為準(zhǔn)。真空室的抽氣管道置于室的上部與真空泵聯(lián)結(jié)，并設(shè)置真空閥門。真空室蓋的開閉可以用吊車吊運(yùn)，也可以自身帶有開閉裝置。為了看清澆注時鋼水流束的分散情況和鋼水上升位置，真空室蓋上裝有窺視孔，有的還裝有工業(yè)電視，在操作控制室內(nèi)觀察澆鑄情況。

真空泵鋼液真空處理最早使用機(jī)械泵，機(jī)械泵有兩大缺點(diǎn):一是抽氣量不大，一套真空鑄錠裝置得用很多臺泵并聯(lián)，泵房站占地面積大;二是比較容易損壞，維修量很大，從而限制了真空處理鋼水工藝的應(yīng)用和發(fā)展，直到二次世界大戰(zhàn)后，制造出了排氣速度大的高性能高效率的真空泵，真空鑄錠技術(shù)才得以迅速發(fā)展。蒸汽噴射泵是以蒸汽為動力的真空泵，它的最大特點(diǎn)是沒有機(jī)械轉(zhuǎn)動部分，不易損壞，維修容易，操作方便，一般設(shè)計成四級或五級，分級把真空室抽到所需的真空度，真空度為26.7~66.6Pa。

工藝過程 真空澆鑄需經(jīng)中間包，鋼水有一定溫降，故出鋼溫度比大氣澆鑄時要高。底盤、鋼錠模、保溫帽事先在真空室內(nèi)裝配完畢，蓋上真空室蓋，在冶煉即將結(jié)束時，開始安裝導(dǎo)流管和安放中間包，然后開始抽真空。當(dāng)受鋼包內(nèi)的鋼水注入中間包內(nèi)約2/3高且澆注溫度達(dá)到工藝要求時，打開中間包塞桿，鋼水經(jīng)水口流出，熔化澆口上的鋁盆進(jìn)入真空室注入鋼錠模內(nèi)。鋼錠澆注完畢破壞真空，打開真空室蓋子，加入保溫劑，鋼錠在模內(nèi)靜置到完全凝固后脫模送水壓機(jī)車間。

處理效果 日本制鋼、神戶制鋼、美國伯利恒、意大利臺爾尼等幾家生產(chǎn)大型鑄鍛件的工廠用真空鑄錠工藝制造發(fā)電機(jī)、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、特厚板軋機(jī)支承輥、核反應(yīng)堆大型封頭、高壓釜等鍛件的最大鋼錠已達(dá)570t。中國幾個重型機(jī)器廠用真空鑄錠法生產(chǎn)的電站鍛件、大型冷熱軋輥、壓力容器以及軍品等大型鍛件所需鋼錠，最大的已達(dá)260t。鋼水脫氫率平均約50%，真空澆鑄后鋼的氫含量平均約2×10-6，最低氫含量<1.5×10-6。根據(jù)中國第一重型機(jī)器廠對真空處理鋼鍛件縮短鍛后熱處理周期試驗的研究，60CrMnMo鋼、輥身直徑1270~1320mm的213根軋輥試驗結(jié)果，鍛后熱處理擴(kuò)氫時間縮短了50%~60%;26(Cr2Ni4MoV不易擴(kuò)氫的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子用鋼，擴(kuò)氫時間由原來的800h縮短到400h。大大縮短了制造周期，從而提高了設(shè)備利用率，降低了能源消耗。真空鑄錠除脫氫外，還能防止二次氧化，減少鋼水中非金屬夾雜物和鋼錠偏析程度，提高鋼錠內(nèi)部質(zhì)量。70年代初在真空鑄錠的基礎(chǔ)上發(fā)展了真空碳脫氧工藝，即以沒有脫氧或半脫氧的鋼水進(jìn)行真空鑄錠，使鋼水在真空處理過程中用自身的碳來脫掉鋼水中的氧，因脫氧產(chǎn)物是CO氣體，不僅達(dá)到鋼水完全脫氧的效果，且提高了鋼水的純凈度。真空處理后鋼中夾雜物含量可降至0.01%以下。